JP2001300871A - Master arm device - Google Patents

Master arm device

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JP2001300871A
JP2001300871A JP2000116665A JP2000116665A JP2001300871A JP 2001300871 A JP2001300871 A JP 2001300871A JP 2000116665 A JP2000116665 A JP 2000116665A JP 2000116665 A JP2000116665 A JP 2000116665A JP 2001300871 A JP2001300871 A JP 2001300871A
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潤 藤森
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正夫 鷹取
Toshiyuki Idoko
利之 井床
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control all degrees of freedom of a slave arm having degree 7 in a master slave manipulator by only a single arm of an operator by providing a master arm capable of reflecting not only the positional attitude of a hand of the operator but also the motion of an elbow. SOLUTION: In a master arm having freedom degree 7, a first rotary shaft 1, a second rotary shaft 2 and a third rotary shaft 3 on a shoulder part intersect with one another at an approximately single point, a fifth rotary shaft 5, a sixth rotary shaft 6 and a seventh rotary shaft 7 on a wrist part intersect with one another at an approximately single point, and a forth rotary shaft 4 is provided on an elbow part. An elbow sensor 11 for detecting the position of the elbow of an operator is provided near the elbow part, a driving device 14 for driving the elbow part is provided, the motion of the operator's elbow is detected, and the elbow part of the master arm is follow-controlled.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、マスタースレーブ
マニピュレータに用いられる7自由度を有するマスター
アームに関し、特にスレーブアームの肘の位置を制御で
きるようにした7自由度マスターアームに関する。
The present invention relates to a master arm having seven degrees of freedom used for a master-slave manipulator, and more particularly to a seven-degree-of-freedom master arm capable of controlling the position of an elbow of a slave arm.

【0002】[0002]

【従来の技術】6自由度のマニピュレータにおいては、
手先の位置と姿勢を決定すると全ての自由度が規定され
てしまい、肩から手先の間におけるアームの状態を変更
するととができない。このため、手先の位置と姿勢を決
めた状態では障害物回避や特異点回避を行うことができ
ない。一方、人間の腕は7個の自由度を持っており、手
先の位置姿勢が決められても肘の位置を任意に選ぶこと
ができ、障害物があっても腕がぶつからないようにそれ
を避けることができる。そこで、マスタースレーブマニ
ピュレータのスレーブアームに7個の自由度を持たせる
ことによって、冗長自由度を活用して人間の腕と同じよ
うな動きをさせて、特異点回避や障害物回避を行えるよ
うにすることができる。
2. Description of the Related Art In a manipulator having six degrees of freedom,
When the position and posture of the hand are determined, all degrees of freedom are defined, and it is impossible to change the state of the arm between the shoulder and the hand. For this reason, obstacle avoidance and singularity avoidance cannot be performed in a state where the position and posture of the hand are determined. On the other hand, the human arm has seven degrees of freedom, and the position of the elbow can be arbitrarily selected even if the position and posture of the hand is determined, so that the arm does not hit even if there is an obstacle. Can be avoided. Therefore, by giving the slave arm of the master-slave manipulator seven degrees of freedom, it is possible to make use of redundant degrees of freedom to make it move in the same way as a human arm, and to avoid singularities and obstacles. can do.

【0003】マスタースレーブマニピュレータにおける
マスターアームは、スレーブアームを操縦するためのも
ので、操縦者がマスターアームの先端にある把持部を移
動させると、その動きを指令値として伝えてスレーブア
ームに同じ動きをさせることができる。従来、マスター
アームは、操縦者が把持する手の位置と姿勢の6自由度
について教示するものであって、冗長な自由度を有する
7自由度ロボットの操縦を行うためには、もう一方の手
で操作する押しボタンやレバーなど別の手段を用いて第
7番目の自由度に関する指示を行う必要があった。
[0003] The master arm in the master-slave manipulator is for manipulating the slave arm. When the operator moves the gripping portion at the tip of the master arm, the movement is transmitted as a command value and the same movement is given to the slave arm. Can be made. Conventionally, the master arm teaches six degrees of freedom of the position and posture of the hand held by the operator. To operate a seven-degree-of-freedom robot having redundant degrees of freedom, the other arm is used. It is necessary to give an instruction regarding the seventh degree of freedom using another means such as a push button or a lever operated by the user.

【0004】なお、特開平5−345291には、マス
ターアームで手先の位置を制御する場合にスレーブアー
ムの肘位置が自由に選択できることに注目して、スレー
ブアームの肘位置を検出して予め定めた領域と干渉する
おそれがある場合に干渉回避を行わせるようにした7自
由度ロボットが開示されている。しかし、上記公開公報
に開示された7自由度ロボットは、スレーブアームの制
御器がマスターアームとは関係なく肘位置を決めるもの
であって、操縦者の意図を冗長自由度に反映させるもの
ではなかった。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-345291 discloses that the elbow position of the slave arm can be freely selected when controlling the position of the hand with the master arm. There is disclosed a seven-degree-of-freedom robot in which interference avoidance is performed when there is a possibility that the robot will interfere with an area where the robot has interfered. However, in the seven-degree-of-freedom robot disclosed in the above publication, the controller of the slave arm determines the elbow position regardless of the master arm, and does not reflect the intention of the operator in the redundant degree of freedom. Was.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、操縦者の手の位置姿勢ばかりでな
く肘の動きも反映できるようなマスターアームを提供
し、マスタースレーブマニピュレータにおける7自由度
スレーブアームの全ての自由度を操縦者が片方の腕だけ
で制御できるようにすることである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a master arm which can reflect not only the position and orientation of the operator's hand but also the movement of the elbow. The purpose is to allow the operator to control all degrees of freedom of the slave arm with only one arm.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のマスターアーム装置は、肩部における3軸
がほぼ1点で交わり手首部における3軸がほぼ1点で交
わり肘部を持った7自由度マスターアームであって、肘
部に操縦者の肘の位置を検出する肘センサを備え、さら
に肘部を駆動する駆動装置を備えて、肘部の追従制御を
行うことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a master arm device according to the present invention has an elbow in which three axes at a shoulder intersect at approximately one point and three axes at a wrist intersect at approximately one point. A seven-degree-of-freedom master arm, comprising: an elbow sensor for detecting the position of the operator's elbow on the elbow; and a driving device for driving the elbow, and performing follow-up control of the elbow. I do.

【0007】本発明のマスターアーム装置は、肩部にお
いて3軸が1点で交わり、手首部においても3軸が1点
で交わって、それぞれボールジョイントと等価な関節機
能を有するため、7番目の自由度を担う肘部の移動は、
肩部の軸交点と手首部の軸交点と肘で形成される平面三
角形の2つの軸交点を結ぶ直線を軸にした回転で表すこ
とができる。この平面三角形の回転角を肘角と呼ぶ。本
発明においては、マスターアームの肘部に操縦者の肘の
動きを検出するセンサを備え、かつ肘部を駆動する装置
を備えて、操縦者の動きに追従してマスターアームの肘
部を移動させることができる。したがって、スレーブア
ームが外部環境物と干渉しそうなときには操縦者の判断
により衝突しないように肘を動かせば、マスターアーム
装置は肘部の位置情報を用いてスレーブマニピュレータ
を制御して干渉を回避することができる。
In the master arm device of the present invention, the three axes intersect at one point at the shoulder and the three axes intersect at one point at the wrist, and each has a joint function equivalent to a ball joint. The movement of the elbow that is responsible for the freedom
It can be represented by rotation about a straight line connecting two axis intersections of a plane triangle formed by the axis intersection of the shoulder, the axis intersection of the wrist, and the elbow. The angle of rotation of this plane triangle is called the elbow angle. In the present invention, the elbow of the master arm is provided with a sensor for detecting the movement of the elbow of the pilot, and a device for driving the elbow is provided, and the elbow of the master arm is moved following the movement of the pilot. Can be done. Therefore, when the slave arm is likely to interfere with an external environment object, if the elbow is moved so as not to collide according to the judgment of the pilot, the master arm device controls the slave manipulator using the position information of the elbow to avoid the interference. Can be.

【0008】本発明のマスターアーム装置では、操縦者
の片方の腕だけで7自由度マニピュレータの全ての自由
度を制御することができるので、近時研究が進んでいる
双腕型ロボットなどのように操縦者の2本の腕がそれぞ
れマニピュレータの腕の操縦をしなければならないとき
にも手先の位置姿勢に加えて肘部の位置制御ができるよ
うになる。また、例えば、工作対象物を搭載した作業台
にマニピュレータの前腕が干渉しそうなときにも肘部を
水平方向によけることができ、ロボットの配置に自由度
が増して、狭い空間でも作業ができるようになるなどの
利点がある。
In the master arm device of the present invention, all degrees of freedom of the seven-degree-of-freedom manipulator can be controlled with only one of the arms of the operator. In addition, even when the two arms of the operator must control the arms of the manipulator, the position of the elbow can be controlled in addition to the position and orientation of the hand. Also, for example, when the forearm of the manipulator is likely to interfere with the work table on which the work object is mounted, the elbow can be moved horizontally, increasing the degree of freedom in the arrangement of the robot, making it possible to work even in a narrow space. There are advantages such as being able to.

【0009】また、マスターアームの各軸を駆動軸とし
て、スレーブアームで検知する力を操縦者に提示するよ
うにしても良い。さらに、マスターアームの第1軸の回
転軸方向を重力方向とほぼ一致させ、第2軸を第1軸と
直交し肘の動きに追従する駆動軸とし、さらに第3軸と
第4軸の回転軸を平行にして、第3軸の回転軸に第4軸
のカウンタウェイトを配置し、カウンタウェイトを平行
リンク機構を介して第4軸と連動させるようにしてもよ
い。また、肘センサは、マスターアームのリンクに設け
られ、操縦者の腕がリンクに対して相対的に動く方向を
検出するものであることが好ましい。なお、肘センサは
複数の光電スイッチを並べたものであってもよい。肘セ
ンサをこのように簡単な構成にすることにより、制御の
アルゴリズムも単純化し、極めて低廉にセンサ部および
制御部を構成することができる。
[0009] Further, each axis of the master arm may be used as a drive axis, and the force detected by the slave arm may be presented to the operator. Further, the direction of the axis of rotation of the first axis of the master arm is substantially matched with the direction of gravity, the second axis is a drive axis orthogonal to the first axis and follows the movement of the elbow, and the rotation of the third and fourth axes The axes may be parallel to each other, and the counterweight of the fourth axis may be disposed on the rotation axis of the third axis, and the counterweight may be linked to the fourth axis via a parallel link mechanism. Preferably, the elbow sensor is provided on the link of the master arm and detects a direction in which the operator's arm moves relative to the link. Note that the elbow sensor may be one in which a plurality of photoelectric switches are arranged. With such a simple configuration of the elbow sensor, the control algorithm can be simplified, and the sensor unit and the control unit can be configured at extremely low cost.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例に基
づき図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明のマ
スターアーム装置の1実施例の構成を説明する軸配置
図、図2は本実施例に用いる肘センサの1例を示す説明
図、図3は肘センサの別の例を示す説明図、図4は本実
施例に用いるカウンターバランスの配置例を説明する軸
配置図、図5は第4軸用カウンターバランスの構成図、
図6は本実施例のマスターアーム装置の側面図、図7は
本実施例のマスターアーム装置の平面図、図8は本実施
例のマスターアーム装置における操縦者の姿勢を表す図
面、図9は本実施例を用いたマスタースレーブマニピュ
レータ装置の制御装置を表すブロック図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 is a shaft arrangement diagram for explaining the configuration of one embodiment of the master arm device of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram showing one example of an elbow sensor used in this embodiment, and FIG. 3 is another example of the elbow sensor. FIG. 4 is a shaft arrangement diagram illustrating an example of the arrangement of a counterbalance used in the present embodiment, FIG. 5 is a configuration diagram of a fourth axis counterbalance,
6 is a side view of the master arm device of the present embodiment, FIG. 7 is a plan view of the master arm device of the present embodiment, FIG. 8 is a drawing showing the attitude of a pilot in the master arm device of the present embodiment, and FIG. It is a block diagram showing the control device of the master slave manipulator device using this example.

【0011】本実施例のマスターアーム装置は、マスタ
ースレーブマニピュレータの7自由度スレーブアームを
操縦するためのものである。マスターアームは7個の自
由度を持ったリンク機構を有する。操縦者がマスターア
ームの手首部を把持して手首部の位置姿勢を変化させる
と、肩部から手首部までに設けられた軸の回転角により
手首部の位置姿勢が決定でき、その情報をマニピュレー
タの制御装置に伝送してスレーブアームをマスターアー
ムの動きに追従するように制御する。スレーブアームの
手首部の位置姿勢だけでは6自由度しか規定できないた
め、残りの1自由度を肘に繋がる腕の傾きで決定する。
The master arm device of this embodiment is for operating a seven-degree-of-freedom slave arm of a master-slave manipulator. The master arm has a link mechanism with seven degrees of freedom. When the operator grasps the wrist of the master arm and changes the position and orientation of the wrist, the position and orientation of the wrist can be determined by the rotation angle of the shaft provided from the shoulder to the wrist, and the information is used as a manipulator To control the slave arm to follow the movement of the master arm. Since only six degrees of freedom can be defined only by the position and orientation of the wrist of the slave arm, the remaining one degree of freedom is determined by the inclination of the arm connected to the elbow.

【0012】人の肩と手首は3個の回転軸が1点で交わ
るボールジョイントのような球面関節に近似することが
でき、肩と手首に対して上腕と前腕で繋がっている肘の
位置は、肩と手首の位置が決まれば、肩と手首を結ぶ線
を軸にした回転角すなわち肘角で指定することができ
る。なお、肘角は、鉛直面など適当な基準位置から計っ
た回転角で表示することが取り扱い上便利である。本実
施例のマスターアーム装置は、マスターアームが人の腕
と同様な動きをするようにするため、肩部に3個の回転
軸を軸が1点で交差するように設け、手首部に3個の回
転軸を軸が1点で交差するように設け、肩部に取り付け
た上腕リンクと手首部に取り付けた前腕リンクを両リン
クが平面内で屈曲するような回転軸で結合して肘として
いる。
The shoulder and wrist of a person can be approximated to a spherical joint such as a ball joint where three rotation axes intersect at one point. The position of the elbow connected by the upper arm and the forearm with respect to the shoulder and the wrist is Once the positions of the shoulder and the wrist are determined, the rotation angle around the line connecting the shoulder and the wrist, that is, the elbow angle can be designated. It is convenient for handling that the elbow angle is indicated by a rotation angle measured from an appropriate reference position such as a vertical plane. In the master arm device of the present embodiment, three rotation axes are provided on the shoulder so that the axes intersect at one point, and three wrists are provided on the wrist in order to make the master arm perform the same movement as a human arm. The two rotation axes are provided so that the axes intersect at one point, and the upper arm link attached to the shoulder and the forearm link attached to the wrist are joined by a rotation axis such that both links bend in a plane to form an elbow I have.

【0013】本実施例におけるマスターアームの7個の
回転軸は、図1に示したように配置される。肩部の第1
回転軸1は重力方向に軸を持ち、固定部材に支持されて
いる。また、第1回転軸1の回転部分に第1のリンクを
介して第2回転軸2が連結されている。第2回転軸2は
水平方向に軸を持ち、軸は第1回転軸1の軸と交差す
る。第2回転軸2の回転部には第2リンク8を介して第
3回転軸3が結合されている。第3回転軸3の軸は第2
回転軸2の軸とほぼ直交し、さらに第1回転軸1と第2
回転軸2の交点を通るように配置されている。
The seven rotating shafts of the master arm in this embodiment are arranged as shown in FIG. Shoulder first
The rotating shaft 1 has a shaft in the direction of gravity and is supported by a fixed member. Further, a second rotating shaft 2 is connected to a rotating portion of the first rotating shaft 1 via a first link. The second rotation axis 2 has an axis in the horizontal direction, and the axis intersects the axis of the first rotation axis 1. The third rotating shaft 3 is connected to a rotating portion of the second rotating shaft 2 via a second link 8. The axis of the third rotating shaft 3 is the second
The axis of rotation 2 is substantially orthogonal to the axis of rotation,
It is arranged so as to pass through the intersection of the rotating shaft 2.

【0014】上記のような構成により、マスターアーム
の肩部は回転軸の交点を中心とするボールジョイントと
等価の動きを行うことができる。なお、第1から第3の
回転軸の配置は機構上の性能が実現できる程度にルーズ
であっても良いことはいうまでもない。また、第2リン
ク8は若干の長さを有し、マスターアームの肩部付近に
操縦者の肩が納まるようになっている。
With the above configuration, the shoulder of the master arm can perform a movement equivalent to a ball joint centering on the intersection of the rotation axes. Needless to say, the arrangement of the first to third rotating shafts may be loose enough to achieve mechanical performance. The second link 8 has a slight length so that the operator's shoulder can be accommodated near the shoulder of the master arm.

【0015】第3回転軸3の回転部には上腕となる第3
リンク9が取り付けられており、第3リンク9の先端に
は第4回転軸4が設けられている。第4回転軸4の軸は
第3回転軸3の軸と平行に設けられる。第4回転軸4の
回転部には前腕となる第4リンク10が取り付けられて
おり、その先端には手首部における初めの回転軸である
第5回転軸5が第4回転軸4と平行に設けられている。
The third rotating shaft 3 has a third arm serving as an upper arm.
A link 9 is attached, and a fourth rotating shaft 4 is provided at a tip of the third link 9. The axis of the fourth rotation shaft 4 is provided in parallel with the axis of the third rotation shaft 3. A fourth link 10 serving as a forearm is attached to the rotating portion of the fourth rotating shaft 4, and a fifth rotating shaft 5, which is the first rotating shaft in the wrist, is provided at the tip of the fourth link 10 in parallel with the fourth rotating shaft 4. Is provided.

【0016】第5回転軸5には第5リンクを介して第6
回転軸6が結合されており、第6回転軸6には第7回転
軸7が結合されている。第5回転軸5と第6回転軸6と
第7回転軸7の各軸はほぼ1点で交わるように配設され
て、手首部の3自由度関節を形成している。
The fifth rotating shaft 5 has a sixth link through a fifth link.
The rotating shaft 6 is connected, and the sixth rotating shaft 6 is connected to a seventh rotating shaft 7. The fifth rotation shaft 5, the sixth rotation shaft 6, and the seventh rotation shaft 7 are disposed so as to intersect at substantially one point, forming a three-degree-of-freedom joint of the wrist.

【0017】本実施例のマスターアーム装置では、さら
に前腕に相当する第4リンク10に操縦者の肘の動きを
検出する肘センサ11が取り付けられている。肘センサ
11は、操縦者30の前腕31が第4リンク10に対し
て相対的に動く方向を検出すれば足りるので、例えば図
2に示すような複数の光電スイッチであっても良い。図
では、光電スイッチを4個用いて、これらを腕の動きに
対して垂直に並べてある。腕31が適当な位置にあると
きは内側の2個の光電スイッチが腕を検知しているが、
腕31が第4リンク10に近付く方向に動けば図中左側
の光電スイッチが検出信号を出し、逆に腕31が第4リ
ンクから遠ざかる方向に動く場合には図中右側の光電ス
イッチが働いて動きを検出する。なお、肘センサ11は
第4リンク10のどこに取り付けてもよいが、検出感度
等を考慮して決めることが好ましい。
In the master arm device of this embodiment, an elbow sensor 11 for detecting the movement of the elbow of the operator is attached to the fourth link 10 corresponding to the forearm. Since the elbow sensor 11 only needs to detect the direction in which the forearm 31 of the operator 30 moves relative to the fourth link 10, a plurality of photoelectric switches as shown in FIG. 2 may be used. In the figure, four photoelectric switches are used, and these are arranged vertically to the movement of the arm. When the arm 31 is at an appropriate position, the two inner photoelectric switches detect the arm,
When the arm 31 moves in the direction approaching the fourth link 10, the photoelectric switch on the left side in the figure outputs a detection signal, and when the arm 31 moves in the direction away from the fourth link, the photoelectric switch on the right side in the figure operates. Detect movement. The elbow sensor 11 may be mounted anywhere on the fourth link 10, but is preferably determined in consideration of detection sensitivity and the like.

【0018】また、図3は本発明に用いる肘センサの別
の例を示す図面である。図3に示した肘センサはマイク
ロリニアスケールを利用したもので、リニアスケール本
体12をマスターアームの第4リンク10に固定し、操
縦者30の前腕31に巻いたバンド13にスケールの端
を結びつけて、第4リンク10と操縦者の前腕31の距
離を測るものである。両者間の距離が一定になるように
調整することによりマスターアームを操縦者の腕に追従
させることができる。
FIG. 3 is a drawing showing another example of an elbow sensor used in the present invention. The elbow sensor shown in FIG. 3 uses a micro linear scale. The linear scale main body 12 is fixed to the fourth link 10 of the master arm, and the end of the scale is tied to the band 13 wrapped around the forearm 31 of the pilot 30. Thus, the distance between the fourth link 10 and the forearm 31 of the pilot is measured. By adjusting the distance between them to be constant, the master arm can follow the operator's arm.

【0019】第2回転軸2には肘センサー11の測定信
号に対応して回転する駆動モータ14が取り付けられて
いる。操縦者の肘が外側に持ち上がるときは駆動モータ
14により上腕リンク9が外側に広げられ、操縦者の肘
が下がるときは上腕リンク9も内側にすぼめられる。し
たがって、操縦者の肘が常に肘センサ11の光電スイッ
チ群の中央に位置するようにマスターアームを移動させ
ることによって、肘部の追従制御を行うことができる。
The second rotating shaft 2 is provided with a drive motor 14 that rotates in accordance with the measurement signal of the elbow sensor 11. When the driver's elbow is lifted outward, the drive motor 14 spreads the upper arm link 9 outward, and when the driver's elbow is lowered, the upper arm link 9 is also contracted inward. Therefore, the follow-up control of the elbow can be performed by moving the master arm so that the operator's elbow is always located at the center of the photoelectric switch group of the elbow sensor 11.

【0020】マスターアーム装置は上記の構成を有する
マスターアームを左右1対備えて、双腕型ロボットを操
縦することができる。本実施例のマスターアーム装置に
よりスレーブアームを操縦するときには、操縦者が装置
に搭乗して左右のマスターアームの手首部にあるジョイ
スティックを握り、手首部の位置姿勢を所望の通り導
く。
The master arm device is provided with a pair of left and right master arms having the above configuration, and can operate a dual-arm robot. When operating the slave arm by the master arm device of the present embodiment, the operator gets on the device and grips the joysticks at the wrists of the left and right master arms to guide the position and orientation of the wrist as desired.

【0021】すると、マスターアーム装置は、マスター
アームの各回転軸に設けたエンコーダで回転角を検出す
ることにより、手首部の位置および姿勢を算定して、ス
レーブアームの制御装置に伝送する。これによって操縦
者の手先の動きの6自由度と肘位置の1自由度の情報を
スレーブアームに伝達することが可能となる。なお、ス
レーブアームの位置姿勢の指示は、マスターアームを操
作する操縦者の操作力とスレーブアームがワークから受
ける反力との差が解消するように動作させるようにし
て、ワークに無理な力が作用しないようにしてもよい。
Then, the master arm device calculates the position and posture of the wrist by detecting the rotation angle with encoders provided on each rotation shaft of the master arm, and transmits the calculated position and posture to the control device of the slave arm. This makes it possible to transmit information of six degrees of freedom of the movement of the operator's hand and one degree of freedom of the elbow position to the slave arm. Note that the position and orientation of the slave arm is instructed so that the difference between the operating force of the operator operating the master arm and the reaction force received by the slave arm from the work is eliminated. It may not work.

【0022】スレーブアーム制御装置はマスターアーム
の手首部の位置姿勢と肘角の情報に基づいて逆運動学計
算を行いスレーブアームの各軸の回転量を算出してサー
ボ制御を行う。これにより、操縦者の指示通りにスレー
ブアームの手首部の位置姿勢を定めることができる。さ
らに、操縦者の肘の動きを検出して、マスターアームの
肘部を追従させるようにしてあるため、スレーブアーム
の腕や肘が周囲の物体と干渉しそうなときには、操縦者
が肘を動かすとマスターアームの動きを介してスレーブ
アームの肘部が追従して動いて、干渉を回避することが
できる。
The slave arm control device performs inverse kinematics calculation based on the information on the position and orientation of the wrist of the master arm and the elbow angle, calculates the amount of rotation of each axis of the slave arm, and performs servo control. Thus, the position and orientation of the wrist of the slave arm can be determined as instructed by the operator. Furthermore, since the movement of the elbow of the pilot is detected and the elbow of the master arm is made to follow, when the arm or elbow of the slave arm is likely to interfere with surrounding objects, if the pilot moves the elbow, The elbow of the slave arm follows and moves through the movement of the master arm, so that interference can be avoided.

【0023】マスターアームの肘部の動きを操縦者の肘
と対応させるためには、肘角を同じ値にすればよい。本
実施例のマスターアーム装置は、操縦者の肘の動きに対
応してマスターアームの第2回転軸2のみが能動的に動
き上腕リンク9の開き角を調整するようになっている。
肘角の基準軸は手先の動きに従って変化するので、上腕
リンク9の開き角がそのまま肘角になるわけではない。
しかし、両者の差は受動的な他の回転軸が操縦者の腕に
追従することにより吸収することができる。操縦者の腕
の動きに従って第2回転軸2と他の回転軸が変化し、所
定の状態になった結果として求められる各回転軸の回転
角に基づいて、逆運動学計算を行いスレーブアームの各
関節を制御すれば、操縦者の意図に従って肘部が運動す
ることになる。
In order to make the movement of the elbow of the master arm correspond to the elbow of the pilot, the elbow angle may be set to the same value. In the master arm device of the present embodiment, only the second rotation shaft 2 of the master arm actively moves to adjust the opening angle of the upper arm link 9 in response to the movement of the elbow of the operator.
Since the reference axis of the elbow angle changes according to the movement of the hand, the opening angle of the upper arm link 9 does not necessarily become the elbow angle.
However, the difference between the two can be absorbed by another passive axis of rotation following the operator's arm. The second rotation axis 2 and the other rotation axes change according to the movement of the driver's arm, and based on the rotation angles of the respective rotation axes obtained as a result of the predetermined state, the inverse kinematics calculation is performed and the slave arm Controlling each joint causes the elbow to move according to the operator's intention.

【0024】マスターアームのリンク機構は、適当な強
度を持たせるため頑丈に構成されるので、そのままでは
操縦者が操作するためには重量が大きくなって、自由に
引き回すことが困難になる。この困難を解消させるた
め、本実施例のマスターアーム装置は、図4に示すよう
にカウンタバランスを配置することができる。なお、第
4リンク10より手先の部分については、それぞれの部
品が小さくなりカウンタバランスの役割は相対的に小さ
くなるので、図4における表示を省略してある。カウン
タバランスは、それぞれの回転軸に付属させるようにし
ても良いが、カウンタバランスは機構全体の重量を増加
させて慣性力を大きくするので、重いものを多数使用す
ることは好ましくない。
Since the link mechanism of the master arm is ruggedly configured to have an appropriate strength, the weight becomes large for the operator to operate as it is, and it is difficult to freely move the link mechanism. In order to solve this difficulty, the master arm device of the present embodiment can arrange a counter balance as shown in FIG. Note that, since the parts smaller than the fourth link 10 are smaller and the role of the counterbalance is relatively smaller, the display in FIG. 4 is omitted. The counter balance may be attached to each rotating shaft. However, since the counter balance increases the weight of the entire mechanism and increases the inertial force, it is not preferable to use many heavy counterweights.

【0025】ある軸構成において、全ての回転軸にカウ
ンタウェイトを配置することにすれば、腕の根元から手
先までの全ての重量を受けなければならない第1回転軸
に設けるべきカウンタウェイトが最も大きくなる。本実
施例では、第1回転軸1の軸を重力方向に配置すること
により、カウンタウェイトを省略してある。また、カウ
ンタウェイトの重量が2番目に大きくなるはずの第2回
転軸2には肘角に応じて上腕を駆動する駆動モータ14
を付設して、カウンタウェイトを省略した。第3回転軸
3には、第3リンク9より手先側のモーメントを適度に
相殺する第1のカウンタウェイト15を設けた。
In a certain shaft configuration, if counterweights are arranged on all the rotating shafts, the counterweight to be provided on the first rotating shaft, which must receive all the weights from the base of the arm to the hand, is the largest. Become. In this embodiment, the counterweight is omitted by arranging the first rotating shaft 1 in the direction of gravity. A drive motor 14 for driving the upper arm in accordance with the elbow angle is provided on the second rotating shaft 2 where the weight of the counter weight should be the second largest.
And the counter weight was omitted. The third rotating shaft 3 is provided with a first counterweight 15 for appropriately canceling the moment on the hand side of the third link 9.

【0026】次に、第3回転軸3と第4回転軸4を回転
軸が平行になるように配置すると共に、第3回転軸3と
第4回転軸4の間に平行リンク17を構成して、第4回
転軸4に関する第2のカウンタウェイト16を第3回転
軸3の軸周りに配設した。第2カウンタウェイト16を
第3回転軸の周りに配置することにより、第2カウンタ
ウェイトの重量による第3軸周りのモーメントが小さく
なり、それと釣り合わせるべき第1カウンタウェイトの
重量を小さくできる。したがって、普通に行われるよう
に第4回転軸4の軸を挟んで対称の位置に配置した場合
と比較して、操縦者30の腕に掛かる負荷が著しく軽減
されるため、操縦がより容易になる。
Next, the third rotating shaft 3 and the fourth rotating shaft 4 are arranged so that the rotating shafts are parallel to each other, and a parallel link 17 is formed between the third rotating shaft 3 and the fourth rotating shaft 4. Thus, the second counterweight 16 for the fourth rotating shaft 4 is disposed around the third rotating shaft 3. By arranging the second counterweight 16 around the third rotation axis, the moment around the third axis due to the weight of the second counterweight is reduced, and the weight of the first counterweight to be balanced with it can be reduced. Accordingly, the load on the arm of the pilot 30 is significantly reduced as compared with a case where the operation is performed symmetrically with respect to the axis of the fourth rotation shaft 4 so as to be performed normally, so that the steering is more easily performed. Become.

【0027】図5は、第4回転軸のカウンタウェイトを
第3回転軸に設けるために設置される平行リンクの例を
表現する機構図である。第4回転軸4の回転軸に第1の
プーリを固定し、第3回転軸3に第1プーリと同じ径を
有する第2のプーリを回転可能に軸支する。第2プーリ
には第2カウンタウェイトが固定されている。第1プー
リと第2プーリの間には金属バンド18,19が渡さ
れ、固定ボルト21によりそれぞれの端部がプーリに固
定されている。第1プーリと第2プーリの間には張力コ
ントローラ20がセットされて、金属ベルト18,19
に弛みがないようにされている。
FIG. 5 is a mechanism diagram showing an example of a parallel link provided to provide a counter weight for the fourth rotating shaft on the third rotating shaft. A first pulley is fixed to the rotation shaft of the fourth rotation shaft 4, and a second pulley having the same diameter as the first pulley is rotatably supported on the third rotation shaft 3. A second counterweight is fixed to the second pulley. Metal bands 18 and 19 are passed between the first pulley and the second pulley, and each end is fixed to the pulley by a fixing bolt 21. A tension controller 20 is set between the first pulley and the second pulley, and the metal belts 18, 19
So that there is no slack.

【0028】操縦者が手首部に設けられたジョイスティ
ック22を握った手を動かして、第4リンク10が第4
回転軸の周りに回転すると、この回転が金属ベルト1
8,19を介して第2プーリに伝達し、第2カウンタウ
ェイト16が動く。第2カウンタウェイト16は、主に
第4リンク10から手先までのリンク機構のモーメント
を相殺する。また、第2カウンタウェイト16を第3軸
付近に配置することで第1カウンタウェイト15の重量
が低減しているために、操縦者の腕に対する負担は小さ
い。また、図示された平行リンク機構は、構成上付加す
る部品も少なくコンパクトで、第3リンク9の幅の中に
収まるように形成することが可能であるため、操縦者と
機構の干渉領域を低減することができる。
When the operator moves the hand holding the joystick 22 provided on the wrist, the fourth link 10 is moved to the fourth link.
When it rotates around the rotation axis, this rotation
The second counter weight 16 is transmitted to the second pulley via the first and second pulleys 8 and 19. The second counterweight 16 mainly cancels the moment of the link mechanism from the fourth link 10 to the hand. Further, since the weight of the first counterweight 15 is reduced by disposing the second counterweight 16 near the third axis, the burden on the operator's arm is small. In addition, the illustrated parallel link mechanism has a small number of additional components and can be formed so as to fit within the width of the third link 9, so that the interference area between the operator and the mechanism is reduced. can do.

【0029】図6と図7は、本実施例のマスターアーム
装置の立面図と平面図である。第1軸から第3軸は肩部
の回転中心点で交差しており、第5軸から第7軸は手先
の位置で交差している。第4軸は上腕リンク9と前腕リ
ンク10を回動可能に結合している。第3軸から第5軸
は互いに平行に配設されている。第3軸の回転部は肩部
の回転中心から肩リンク8の距離だけ外側に張り出して
いる。また、第5軸の回転部から手首部の回転中心まで
の距離も間に介在する機構により肩リンク8と同じ距離
になるように構成されている。第2軸には駆動モータ1
4が結合されていて、リンク9の肘部の開き角を調整す
る。
FIGS. 6 and 7 are an elevation view and a plan view of the master arm device of the present embodiment. The first to third axes intersect at the rotation center point of the shoulder, and the fifth to seventh axes intersect at the hand position. The fourth shaft connects the upper arm link 9 and the forearm link 10 rotatably. The third to fifth axes are arranged in parallel with each other. The rotating portion of the third shaft projects outward from the center of rotation of the shoulder by the distance of the shoulder link 8. In addition, the distance from the rotating portion of the fifth shaft to the rotation center of the wrist portion is configured to be the same distance as the shoulder link 8 by a mechanism interposed therebetween. Drive motor 1 on the second axis
4 is connected to adjust the opening angle of the elbow of the link 9.

【0030】また、第3軸の周りには、第1カウンタウ
ェイト15と第2カウンタウェイト16が取り付けられ
ている。第1カウンタウェイト15は上腕リンク9以下
の手先部分全体のモーメントをほぼ相殺するように、第
3軸に関して上腕リンク9に対する点対称位置に設けら
れている。また、第2カウンタウェイト16は、上腕リ
ンク9内に設けられる平行リンク機構により前腕リンク
10と連動して前腕リンク10以下の機構部分のモーメ
ントをほぼ相殺する機能を有する。また、前腕リンク1
0には操縦者の腕の動きを検出する肘センサ11が設け
られている。
A first counterweight 15 and a second counterweight 16 are mounted around the third axis. The first counterweight 15 is provided at a point symmetrical position with respect to the third arm so as to substantially cancel the moment of the entire hand portion below the upper arm link 9. The second counterweight 16 has a function of interlocking with the forearm link 10 by means of a parallel link mechanism provided in the upper arm link 9 to substantially cancel the moment of the mechanical portion below the forearm link 10. Also, forearm link 1
0 is provided with an elbow sensor 11 for detecting the movement of the operator's arm.

【0031】図8は、図6と図7に示した本実施例のマ
スターアーム装置に操縦者が搭乗して操作する状態を模
式的に示したものである。マスターアーム装置は第1回
転軸の固定部を架台23に固定することによって固定さ
れる。操縦者30が装置に搭乗してマスターアームのジ
ョイステックを把持したときに、操縦者の肩の回転中心
とマスターアームの肩部回転中心が十分近く、上腕リン
クと前腕リンクが操縦者の腕31に沿って配置されれ、
操縦者の腕31の動きは肘センサ11によって検出され
る。操縦者が手先の位置を変えずに肘を動かすときは、
肩部回転中心と手首部回転中心を結ぶ直線と操縦者の肩
と手首を結ぶ直線がほぼ一致するようになるため、肘角
の対応関係が単純化する。
FIG. 8 schematically shows a state in which the operator operates while riding on the master arm device of the present embodiment shown in FIGS. 6 and 7. The master arm device is fixed by fixing the fixing portion of the first rotation shaft to the gantry 23. When the pilot 30 gets on the apparatus and grips the joystick of the master arm, the center of rotation of the pilot's shoulder and the center of rotation of the master arm are sufficiently close, and the upper arm link and the forearm link are connected to the operator's arm 31. Are arranged along
The movement of the driver's arm 31 is detected by the elbow sensor 11. When the pilot moves his elbow without changing his position,
Since the straight line connecting the shoulder rotation center and the wrist rotation center almost coincides with the straight line connecting the pilot's shoulder and the wrist, the correspondence between the elbow angles is simplified.

【0032】また、第1軸から第7軸の各々にモータを
配置して、力提示を行えるようにすることも可能であ
る。力提示とは、スレーブアームに力センサを装備して
ワークに接触したときに発生する力を操縦者に提示する
機能である。また、マスターアームの手首部にある把持
部に力センサを備えて、操縦者の手がマスターアームに
及ぼす操作力を検出してスレーブアームとワークの間に
操作力に応じた力を発生させることもできる。
Further, it is also possible to arrange a motor on each of the first axis to the seventh axis so that the force can be presented. The force presentation is a function of presenting a force generated when a slave arm is provided with a force sensor and coming into contact with a workpiece to a driver. In addition, a force sensor is provided on a grip portion at a wrist portion of the master arm to detect an operation force exerted by the pilot's hand on the master arm and generate a force according to the operation force between the slave arm and the work. Can also.

【0033】図9は、本実施例のマスターアーム装置を
用いたマスタースレーブマニピュレータ装置の制御機構
を表したブロック図である。図面の上半分がマスターア
ームの駆動制御部、下半分がスレーブアームの駆動制御
部を表している。肘角指令値は、肘センサ41、操縦者
の肘位置の方向算出部42、肘角の現在位置算出部4
3、および加算器44により算出される。肘センサ41
が操縦者の腕とマスターアームの腕リンクの相対的位置
の変化を検出して、方向算出部42に検出信号を入力
し、方向算出部42が操縦者の肘位置の移動方向とマス
ターアームの肘部が追従するために必要な移動量を算出
する。積分器44によりこの移動量を積分することで肘
角指令値を算出する。
FIG. 9 is a block diagram showing a control mechanism of a master-slave manipulator device using the master arm device of this embodiment. The upper half of the drawing represents the drive control unit of the master arm, and the lower half represents the drive control unit of the slave arm. The elbow angle command value is calculated by the elbow sensor 41, the direction calculation unit 42 of the operator's elbow position, and the current position calculation unit 4 of the elbow angle.
3, and calculated by the adder 44. Elbow sensor 41
Detects a change in the relative position between the arm of the pilot and the arm link of the master arm, and inputs a detection signal to the direction calculation unit 42. The direction calculation unit 42 detects the movement direction of the elbow position of the pilot and the master arm. Calculate the amount of movement required for the elbow to follow. The elbow angle command value is calculated by integrating the movement amount by the integrator 44.

【0034】肘角指令値は、マスターアームの逆運動学
計算部45に送られ、ここで各軸の回転量が算出され
て、それに基づいてサーボ制御部46により駆動モータ
を駆動してマスターアームを操縦者の腕の動きに追従さ
せる。肘角指令値は、また、スレーブアームの逆運動学
計算部52に送られて、算出された駆動量に基づいて各
軸サーボ制御部53を介してスレーブアームの各軸を駆
動し、スレーブアームを操縦者の腕に追従させる。
The elbow angle command value is sent to an inverse kinematics calculation section 45 of the master arm, where the amount of rotation of each axis is calculated. To follow the movement of the pilot's arm. The elbow angle command value is also sent to the inverse kinematics calculation unit 52 of the slave arm, and drives each axis of the slave arm via each axis servo control unit 53 based on the calculated drive amount. To follow the pilot's arm.

【0035】一方、マスターアームに設けられた力セン
サ47が操縦者の操作力を測定し、スレーブアームに設
けられた力センサ48がワークの反力を測定する。減算
器49が操縦者の操作力とワークの反力の差を算出し
て、積分器50がその差を積分する。スレーブアームの
アーム位置初期値を各軸の回転値から算出して、これを
加算器51で積分器50の出力に加算する。加算器51
の出力は、操縦者の力がワーク反力に一致する方向に手
先位置を変化させ、両者が一致するとその状態の位置を
保持するような手先位置指令値となる。手先位置指令値
は、スレーブアームの逆運動学計算部52に送られ、算
出された駆動量に基づいて各軸サーボ制御部53がスレ
ーブアームの各軸を駆動し、スレーブアームを操縦者の
腕に追従させる。また、マスターアームの逆運動学計算
部45に送られ、それに基づいてサーボ制御部46によ
り駆動モータを駆動してマスターアームをスレーブアー
ムに追従させると共に、操縦者に力提示を行う。
On the other hand, a force sensor 47 provided on the master arm measures the operating force of the driver, and a force sensor 48 provided on the slave arm measures the reaction force of the work. The subtractor 49 calculates the difference between the operation force of the operator and the reaction force of the work, and the integrator 50 integrates the difference. The arm position initial value of the slave arm is calculated from the rotation value of each axis, and the calculated value is added to the output of the integrator 50 by the adder 51. Adder 51
Is a hand position command value that changes the hand position in a direction in which the operator's force matches the work reaction force, and when the two match, the hand position command value is maintained. The hand position command value is sent to the inverse kinematics calculation section 52 of the slave arm, and each axis servo control section 53 drives each axis of the slave arm based on the calculated drive amount, and controls the slave arm to move the arm of the operator. To follow. Further, it is sent to the inverse kinematics calculation section 45 of the master arm, and based on it, the drive motor is driven by the servo control section 46 so that the master arm follows the slave arm and presents a force to the operator.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のマスターア
ーム装置は、7自由度を持つスレーブアームに対して、
手先の位置だけではなく肘位置についても教示すること
ができるようになるので、例えば、双腕型ロボットにお
けるマスタースレーブマニピュレータ装置に対しても、
操縦者が現場の状況を見ながら肘を動かしてスレーブア
ームの障害物回避を行えるようにすることができる。
As described above, the master arm device of the present invention is applicable to a slave arm having seven degrees of freedom.
Since it becomes possible to teach not only the position of the hand but also the position of the elbow, for example, for a master-slave manipulator device in a dual-arm robot,
The operator can move the elbow while observing the situation at the site to avoid obstacles in the slave arm.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のマスターアーム装置の実施例の構成を
説明する軸配置図である。
FIG. 1 is a shaft arrangement diagram for explaining a configuration of an embodiment of a master arm device of the present invention.

【図2】本実施例に用いる肘センサの1例を示す説明図
である。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an example of an elbow sensor used in the present embodiment.

【図3】本実施例に用いる肘センサの別の例を示す説明
図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing another example of an elbow sensor used in the present embodiment.

【図4】本実施例に用いるカウンターバランスの配置を
説明する軸配置図である。
FIG. 4 is an axial arrangement diagram illustrating an arrangement of a counter balance used in the present embodiment.

【図5】本実施例に用いる第4軸用カウンターバランス
の構成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram of a fourth axis counterbalance used in the present embodiment.

【図6】本実施例のマスターアーム装置の側面図であ
る。
FIG. 6 is a side view of the master arm device of the present embodiment.

【図7】本実施例のマスターアーム装置の平面図であ
る。
FIG. 7 is a plan view of the master arm device of the present embodiment.

【図8】本実施例のマスターアーム装置における操縦者
の姿勢を表す図面である。
FIG. 8 is a drawing showing a posture of a pilot in the master arm device of the present embodiment.

【図9】本実施例を用いたマスタースレーブマニピュレ
ータ装置の制御装置を表すブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram illustrating a control device of a master-slave manipulator device using the present embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2,3,4,5,6,7 回転軸 8,9,10 リンク 11 肘センサ 12 リニアスケール本体 13 リニアスケール用バンド 14 駆動モータ 15,16 カウンタウェイト 17 平行リンク 18,19 金属ベルト 20 張力コントローラ 21 固定ボルト 22 ジョイスティック 23 架台 30 操縦者 31 操縦者の前腕 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Rotation axis 8, 9, 10 Link 11 Elbow sensor 12 Linear scale body 13 Band for linear scale 14 Drive motor 15, 16 Counter weight 17 Parallel link 18, 19 Metal belt 20 Tension controller 21 Fixing bolt 22 Joystick 23 Mount 30 Pilot 31 Pilot's forearm

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井床 利之 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工業 株式会社野田工場内 Fターム(参考) 3F059 AA00 AA01 BA02 CA06 DA05 DA09 DC04 DC08 DD01 DD12 DE02 EA01 EA05 FA01 FA03 FA10 FB01 FB13 FB17 FB21 FB29 FC02 FC03 FC06 FC13 FC14 3F060 AA00 AA01 BA06 EB11 EB14 EC13 FA06 GA05 GA13 GB02 GB06 GB07 GB11 GC01 GD12 GD14 HA22 HA35  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Toshiyuki Idoko 118 Futatsuka Noda City, Chiba Prefecture Kawasaki Heavy Industries Noda Plant F-term (reference) 3F059 AA00 AA01 BA02 CA06 DA05 DA09 DC04 DC08 DD01 DD12 DE02 EA01 EA05 FA01 FA03 FA10 FB01 FB13 FB17 FB21 FB29 FC02 FC03 FC06 FC13 FC14 3F060 AA00 AA01 BA06 EB11 EB14 EC13 FA06 GA05 GA13 GB02 GB06 GB07 GB11 GC01 GD12 GD14 HA22 HA35

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 肩部における3軸がほぼ1点で交わり手
首部における3軸がほぼ1点で交わり肘部を持った7自
由度マスターアームにおいて、前記肘部に操縦者の肘の
位置を検出する肘センサを備え、前記肘部を駆動する駆
動装置を備えて、前記肘部を操縦者の肘の位置に追従さ
せるようにしたマスターアーム装置。
1. A seven-degree-of-freedom master arm having three elbows where the three axes intersect at approximately one point at the shoulder and the three axes intersect at approximately one point at the wrist. A master arm device comprising: an elbow sensor for detecting; and a driving device for driving the elbow, so that the elbow follows an elbow position of a pilot.
【請求項2】 前記マスターアームの各自由度に対応し
た回動軸に駆動装置を設けて、力提示を行うことを特徴
とする請求項1記載のマスターアーム装置。
2. The master arm device according to claim 1, wherein a drive device is provided on a rotation shaft corresponding to each degree of freedom of the master arm to perform force presentation.
【請求項3】 前記マスターアームの第1軸の回転軸方
向を重力方向とほぼ一致させ、第2軸を前記第1軸と直
交し肘の動きに追従する駆動軸とし、さらに第3軸と第
4軸の回転軸を平行にして、第3軸の回転軸付近に第4
軸のカウンタウェイトを配置し、該カウンタウェイトを
平行リンク機構を介して前記第4軸と連動させることを
特徴とする請求項1または2記載のマスターアーム装
置。
3. A direction of a rotation axis of a first axis of the master arm substantially coincides with a direction of gravity, and a second axis is a drive axis orthogonal to the first axis and following the movement of an elbow. The rotation axis of the fourth axis is parallel to the rotation axis of the third axis.
The master arm device according to claim 1, wherein a counter weight of the shaft is arranged, and the counter weight is linked with the fourth shaft via a parallel link mechanism.
【請求項4】 前記肘センサが、前記マスターアームの
リンクに設けられて操縦者の腕がリンクに対して相対的
に動く方向を検出するものであることを特徴とする請求
項1から3のいずれかに記載のマスターアーム装置。
4. The system according to claim 1, wherein the elbow sensor is provided on a link of the master arm and detects a direction in which a driver's arm moves relative to the link. The master arm device according to any one of the above.
【請求項5】 前記肘センサが複数の光電スイッチを並
置して構成されることを特徴とする請求項4記載のマス
ターアーム装置。
5. The master arm device according to claim 4, wherein said elbow sensor includes a plurality of photoelectric switches arranged side by side.
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